稻-油轮作下保护性耕作对土壤肥力的影响及评价*

殷志遥, 黄 丽, 薛 斌, 黄雅楠, 李小坤, 鲁剑巍

(华中农业大学农业部长江中下游耕地保育重点实验室 武汉 430070)

稻-油轮作下保护性耕作对土壤肥力的影响及评价*

殷志遥, 黄 丽**, 薛 斌, 黄雅楠, 李小坤, 鲁剑巍

(华中农业大学农业部长江中下游耕地保育重点实验室 武汉 430070)

本文选取湖北省武穴市、荆州市和武汉市3个稻-油轮作长期定位试验点(试验时间分别为9年、5年和3年), 通过连续监测土壤容重、孔隙度、pH、有机质、全氮、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾等, 研究在不同耕作年限和方式下, 秸秆还田和免耕对水稻季(2015年 10月)和油菜季(2016年 5月)各土层(0～20 cm和20～40 cm)中土壤物理性质和养分的影响, 并应用内梅罗指数法综合评价各土层土壤肥力水平, 以探讨长期秸秆还田对土壤肥力的影响。结果表明: 1)秸秆还田处理使水稻季和油菜季的土壤容重降低2.00%～16.54%, 土壤总孔隙度增加 1.00%～15.07%; 而免耕处理下油菜季的变化与其相反, 水稻季的变化不显著。2)秸秆还田处理增加了3个试验点0～20 cm土层中有机质(4.76%～35.07%)、全氮(1.80%～32.03%)、速效磷(20.95%～65.82%)、碱解氮(5.97%～37.00%)和速效钾(8.71%～133.04%)的含量, 其中速效钾含量的增加幅度最高; 免耕处理对土壤各养分的影响不显著, 而在配施秸秆后, 相对于其他处理, 其对各养分的增加效果相对最好。各处理对 20～40 cm土层的影响与0～20 cm土层相似, 但整体增加效果没有后者显著。3)各试验处理中, 免耕+秸秆还田和施氮磷钾肥+秸秆还田两种处理增加各土层土壤综合肥力系数较大(7.56%～25.93%), 它们对土壤肥力的提高效果相对较好。

稻-油轮作; 保护性耕作; 秸秆还田; 免耕; 土壤养分; 土壤综合肥力系数

土壤质量是土壤特性的综合反应, 而土壤肥力是土壤质量的重要组成部分[1], 如何维持和提高土壤肥力状况是确保农业可持续发展的热点问题[2]。保护性耕作是目前发展可持续农业的主要技术之一, 包括少免耕和地表覆盖等措施[3]。与传统耕作相比, 保护性耕作能明显降低农业生产投入, 对培肥地力,减少水土流失等有诸多贡献, 已在国内外得到广泛应用[4]。因此, 研究保护性耕作对土壤肥力的影响对于提高农田生产力、优化田间管理等具有重要意义。

研究表明, 秸秆还田和施肥处理对提高土壤养分状况, 改善土壤结构, 增加作物产量等有重要影响[5]。而免耕能否维持和提高土壤肥力, 不同研究者的结论各异。罗珠珠等[6]研究表明, 免耕处理能一定程度上提高耕层土壤有机质、全氮和全磷含量, 具有一定的土壤培肥作用。而徐阳春等[7-8]研究指出,相对于翻耕处理, 免耕处理增加了0～5 cm土层有机碳、全氮、速效氮和速效钾的含量, 而5～20 cm土层则与之相反; 同时, 免耕降低了0～20 cm土层的容重,增加了土壤孔隙度。而吴建富等[9]研究认为, 随着免耕时间的增长, 土壤物理性质会变差, 且作物产量均有一定程度降低。

科学客观地评价土壤肥力水平对于土壤肥力提升的研究至关重要。曹承绵等[10]首先提出了将土壤肥力评价数值化的概念, 其核心是以各土壤肥力指标作为评价的基础, 通过计算各项指标对于肥力的贡献值来确定土壤的综合肥力状况。杨帆等[11]研究表明, 相对于未秸秆还田, 秸秆还田处理增加了土壤的综合肥力系数。也有研究表明, 免耕处理能提高土壤表层的综合肥力状况, 但在亚表层中的影响不明显[12]。而刘世平等[13]的研究认为, 免耕处理后土壤的综合肥力系数有一定程度降低, 但在配施秸秆后, 其对土壤综合肥力的提高效果相对最好。在农业生产过程中常用pH、有机质和氮、磷、钾等养分来综合衡量土壤肥力的高低[14]。

近年来, 我国开展了不少关于保护性耕作对土壤肥力影响的研究[15-16]。前人研究的结果中大多数包含了免耕和秸秆还田对土壤肥力的综合影响, 往往不容易区分是免耕还是秸秆还田的效果; 同时大多数的研究主要集中在某一区域的长期定位试验点上, 缺少比较不同耕作年限以及环境条件下土壤肥力性质的变化, 且耕作措施对土壤肥力影响的综合评价也较少。为此, 本文选取湖北省武穴市、荆州市和武汉市3个水稻-油菜轮作(稻-油轮作)长期定位试验点, 通过连续监测土壤的pH、有机质、全氮、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾7个指标来反映土壤综合肥力状况, 并探讨秸秆还田和免耕对0～20 cm和20～40 cm土层土壤肥力的影响, 为保护性耕作措施的研究和土壤培肥管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验土壤分别取自湖北省武穴市、荆州市和武汉市的稻-油轮作长期定位试验田。其中武穴长期定位试验点始于 2007 年, 位于大金镇(29°59′21″N,115°36′53″E), 其海拔 24 m, 气候类型属于亚热带季风性湿润气候, 年平均气温 16.9 ℃, 1985—2014年间平均降雨量1 489 mm, 年蒸发量1 361 mm。荆州长期定位试验点始于2011年, 位于川店镇(30°35′28″N,112°04′33″E), 海拔 80 m, 属于亚热带季风气候, 年平均气温 17.9 ℃, 年均降雨量 1 055 mm, 年蒸发量853 mm。武汉长期定位试验点始于2013年, 位于华中 农 业 大 学 校 内 试 验 基 地 (30°28′10′N,114°21′21′E)。3 个试验点土壤均为第四纪沉积物发育的水稻土。供试土壤基本理化性质如表1所示。

表1 试验前各试验点土壤的基本性质Table 1 Soil basic properties of the experiment sites at the beginning of the experiment

武穴、荆州和武汉试验点各设4个处理, 3次重复, 共12个小区, 小区面积20 m2, 随机区组排列。其中武穴试验点的 4种耕作处理分别为传统耕作、传统耕作+秸秆还田、免耕以及免耕+秸秆还田, 而荆州和武汉试验点的耕作处理均为传统耕作, 其中传统耕作处理在每季作物种植之前对耕层土壤进行翻耕, 而免耕处理不翻耕。3个试验点的具体施肥量见表2。水稻和油菜收获后, 秸秆还田处理的秸秆全部还田给下一季, 未秸秆还田处理的秸秆全部拿走。试验于2015年10月水稻收获和2016年5月油菜收获时用S型取样法分别取0～20 cm和20～40 cm土层土样, 混匀风干并剔除石块以及植物根系后, 过筛待测。

表2 不同试验点的田间试验处理描述Table 2 Descriptions of different treatments of the field experiment in different experiment sites

1.2 测定项目及方法

土壤pH用电位法测定(水土比2.5∶1, 奥立龙868型pH计); 土壤有机质(organic matter, OM)的测定用重铬酸钾容量法外加热法; 全氮(total nitrogen,TN)用凯式法测定(K-9840自动定氮仪); 速效磷(available phosphorus, AP)用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提比色法测定(UV-1600紫外可见分光光度计); 碱解氮(available nitrogen, AN)用碱解扩散法测定; 全钾(total potassium, TK)用高氯酸和硫酸浸提, 速效钾(available potassium, AK)用1 mol·L-1醋酸铵浸提, 火焰光度法测定(HG-3火焰光度计); 土壤容重(bulk density, BD)用环刀法测定, 并计算土壤总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度[17]。

1.3 内梅罗指数法

目前关于土壤综合肥力评价的方法有很多, 其中内梅罗指数法可以消除土壤各肥力指标之间量纲的差异, 通过此方法算出的土壤分肥力系数处于0～3之间, 使得相同的参数之间可比性较强, 且同一级别的各属性之间分肥力系数比较接近, 可比性较高, 在国际上应用较普遍[14]。

分肥力系数(IFIi)的计算:

式中: IFIi为分肥力系数,x为该属性测定值,xa与xp为分级标准下、上限,xc为介于分级标准上、下限间。各属性值分级标准(xa,xc,xp)主要参考第2次全国土壤普查标准(表3), 每个等级反映了其各自的土壤肥力状况[18]。

土壤综合肥力系数:

式中: IFI为土壤综合肥力系数, IFIi平均值与 IFIi最小值为土壤各属性分肥力均值与最小值,n为评价指标个数。

表3 土壤各属性的分级标准值Table 3 Grading standards of soil properties

1.4 数据处理

用Microsoft Excel和SPSS进行数据处理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 保护性耕作对土壤物理性质的影响

由表 4可以看出, 相对于对照(CT、NP和 CK)处理, 3个试验点在秸秆还田处理后(CTS、NPS和S), 水稻季和油菜季的容重显著降低 4.24%～8.55%,总孔隙度和毛管孔隙度显著升高1.72%～12.46%。相对于NT和NPK处理, NTS和NPKS处理的变化与其相似, 其中土壤容重显著降低 2.00%～16.54%, 总孔隙度显著升高1.00%～15.07%, 而毛管孔隙度的变化规律不明显。土壤通气孔隙度在 3个试验点秸秆还田处理下无明显变化。

NT处理下水稻季的土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度均无显著变化。油菜季的土壤容重升高1.00%, 总孔隙度降低0.66%, 毛管孔隙度和通气孔隙度无明显变化。相对于 CTS处理, NTS处理下油菜季的土壤容重升高 7.61%, 总孔隙度和毛管孔隙度降低3.87%和6.19%, 通气孔隙度无显著变化。这与武均等[19]的研究结果相反, 可能是由于当外界对土壤扰动减小后, 土粒会发生沉积作用,一定程度上引起了土壤板结[20]。

试验结果表明, 秸秆还田处理能降低土壤容重,增加土壤总孔隙度和毛管孔隙度, 对土壤的物理性质起到一定的改良效果, 而免耕处理对于土壤物理性质的改良效果不明显。

2.2 保护性耕作对土壤全量养分的影响

在 3个试验点的供试土壤中, 有机质、全氮及全钾(除荆州试验点)含量均表现为0～20 cm土层显著高于20～40 cm土层(表5)。荆州试验点各处理的全钾含量分布表现不一致, 可能是由于土壤中的根系、新鲜植物残体以及微生物中含有部分钾素, 当其死亡后, 在微生物的作用下发生腐解, 使其所含养分释放至土壤中, 又由于钾素在底层土壤中转移较慢, 因此一定程度上造成了钾素在20～40 cm土层中的积累[21]。

表4 不同试验点不同处理下土壤物理性质的变化Table 4 Changes of soil physical properties under different treatments at different experiment sites

在0～20 cm土层, 相对于CT、NP和CK处理,CTS、NPS和 S处理整体上显著增加了 3个试验点水稻季和油菜季的有机质(增幅为4.76%～27.21%)和全氮(增幅为 3.55%～23.94%)含量。全钾含量在各试验点中表现出一定差异, 其中3个试验点水稻季的全钾含量降低4.44%～11.85%,而武穴和荆州试验点油菜季的分别升高 5.64%和3.12%, 武汉试验点降低 8.17%。可能是由于还田时间较短及各形态钾素间的转换差异造成。相对于NT和NPK处理, NTS和NPKS处理对有机质、全氮和全钾的影响与上述相似, 有机质、全氮和全钾含量分别增加6.75%～35.07%、1.80%～32.03%和10.12%～29.52%。

免耕处理对土壤全量养分的提升效果不明显。NT处理显著降低水稻季和油菜季的有机质(降幅分别为 6.69%和 8.51%)、全钾(降幅分别为 7.94%和15.05%)以及油菜季的全氮(降幅为 5.58%)含量。且相对于CTS处理, NTS处理的有机质和全氮含量变化均不显著。可能与免耕处理下一定程度上造成土壤板结以及养分流失有关。

在20～40 cm土层, 各处理对水稻季和油菜季土壤有机质含量均有一定程度提升作用(增幅为3.33%～43.10%)。而全氮和全钾含量变化规律不明显。

结果表明, 秸秆还田处理能一定程度上增加0～20 cm 和 20～40 cm 土层的有机质和全氮含量(0～20 cm土层的增加效果好于20～40 cm土层), 而全钾的变化规律不明显。免耕处理对有机质、全氮和全钾的影响在各土层中表现不一致。

表5 不同试验点各处理下不同土层土壤全量养分的变化Table 5 Changes of soil total nutrients contents of different layers under different treatments at different experiment sites

2.3 保护性耕作对土壤pH和速效养分的影响

武穴试验点的 pH为 4.81～5.91, 荆州试验点为5.93～6.76, 武汉试验点为 6.24～6.72, 表现为酸性或中性偏酸性(图 1)。在各土层中, 土壤 pH基本表现为0～20 cm土层显著低于20～40 cm土层。相对于CT、NP及CK处理, NTS和NPKS处理均能一定程度上降低0～20 cm和20～40 cm土层土壤的pH, 其中在武穴试验点均达到显著差异, 而武汉和荆州试验点在不同土层中的表现不一致(武汉试验点在0～20 cm土层, 荆州试验点在20～40 cm土层的差异均显著)。这表明, 秸秆还田和免耕一定程度上降低了土壤pH, 这与孟红旗等[22]的研究结果相似。

由表 6可知, 在武穴和武汉试验点, 土壤速效磷、碱解氮和速效钾含量均表现为0～20 cm土层显著高于 20～40 cm 土层, 荆州试验点的速效钾含量在0～20 cm和20～40 cm土层的含量变化不一致, 速效磷和碱解氮含量的表现规律与武穴和武汉试验点相似。

在0～20 cm土层, 相对于CT、NP和CK处理,CTS、NPS和S处理显著增加了3个试验点水稻季和油菜季的碱解氮(增幅为 5.97%～33.93%)和速效钾(增幅为8.71%～121.49%)含量, 速效磷含量在3个试验点也有一定程度的增加, 其中荆州试验点水稻季和武汉试验点的增加效果显著(增幅为20.95%～65.82%)。且相对于NT和NPK处理, NTS和 NPKS处理后碱解氮和速效钾含量分别增加9.05%～37.00%和 11.35%～133.04%, 速效磷含量在武穴和荆州试验点显著增加 27.25%～39.81%, 而武汉试验点整体变化不明显。

免耕处理对速效养分的影响与秸秆还田处理不同。相对于CT处理, NT处理下碱解氮、速效磷以及速效钾的含量变化均不显著。而相对于CTS处理,NTS处理显著增加了武穴试验点水稻季和油菜季的速效磷含量(增幅分别为14.90%和17.78%), 水稻季的碱解氮含量也显著增长 31.38%, 速效钾以及油菜季的碱解氮含量无明显变化。整体上而言, 相对于秸秆还田处理, 免耕对土壤速效养分的增加效果相对较小。

图1 不同试验点各处理下不同土层土壤pH的变化Fig.1 Changes of soil pH of different layers under different treatments at different experiment sites

表6 不同试验点各处理下不同土层土壤速效养分的变化Table 6 Changes of soil available nutrients contents of different layers under different treatments at different sites mg·kg-1

在20～40 cm土层, 秸秆还田整体上能提高3个试验点的碱解氮(11.15%～50.64%)、速效磷(25.30%～150.00%)和速效钾(10.81%～233.93%)含量,但增加效果没有 0～20 cm土层的显著, 这与 Zhang等[23]的研究结果相似。免耕处理下各速效养分的含量整体上无明显变化。

由上可知, 秸秆还田处理一定程度上增加了0～20 cm和20～40 cm土层各速效养分含量(0～20 cm土层的增加效果好于 20～40 cm土层), 其中速效钾的增加幅度相对较高。而免耕处理的影响不显著。

2.4 保护性耕作对土壤综合肥力系数的影响

用内梅罗指数法对土壤养分进行综合分析(表 7),结果表明 3个试验点的土壤综合肥力系数(IFI)均表现为油菜季高于水稻季, 0～20 cm 土层显著高于20～40 cm土层。

在 3个试验点的供试土壤中, 相对于 CT、NP及CK处理, CTS、NPS和S处理均增加了3个试验点各土层的 IFI值(增幅为 3.68%～17.28%), 且相对于NT和NPK处理, NTS和NPKS处理的IFI值也增加了6.49%～27.69%(0～20 cm土层增加更为明显)。

免耕表现与秸秆还田处理有一定的差别, 其中相对于CT处理, NT处理下的土壤IFI值在水稻季0～20 cm和20～40 cm土层变化不明显, 油菜季显著降低3.10%和6.76%。相对于CTS处理, NTS处理显著增加了水稻季20～40 cm土层以及油菜季0～20 cm土层的IFI值(增幅分别为13.70%和2.90%)。

研究结果表明, 秸秆还田能有效提高各土层的土壤综合肥力状况, NT处理对土壤综合肥力状况的提高效果不明显, 但 NTS处理则有较好的提高效果。在各处理中, 相对于对照(CT、NP和CK), NTS和NPKS处理对土壤肥力的提高效果相对较好(增幅为 7.56%～25.93%)。

表7 不同试验点各处理下不同土层土壤综合肥力系数(IFI)的变化Table 7 Changes of soil integrated fertility indexes of different layers under different treatments at different sites

3 讨论

供试秸秆还田处理均能一定程度上增加0～20 cm土层中各养分含量, 其中速效钾的增加幅度相对最高。可能是因为水稻和油菜中的钾素主要分布在叶和秸秆, 秸秆中钾相对含量一定程度上高于其中的氮和磷[24]。秸秆还田后在微生物的作用下发生腐解,将其中部分有机质、氮、磷、钾等营养元素归还到土壤中, 一定程度上增加了土壤中各养分含量。且秸秆中的钾素主要以离子态存在, 易被溶解出来,补充速效钾中各组分(水溶性钾, 交换性钾)的含量;秸秆在腐解过程中还会释放有机酸、阴离子和碱性金属等, 进一步促进矿物钾的释放和转化[25-26]。因此, 秸秆还田对速效钾的影响在各养分中相对最好。另外, 秸秆腐解产生的有机酸也会促进难溶性磷向可溶性磷转化[27], 间接提高了土壤磷的有效性。土壤中的氮素主要以有机氮的形式存在, 秸秆加入后, 激发了异养微生物对添加物质的分解, 从而使氮的有效性升高[28-29]。而秸秆还田处理对各土层中养分的增加效果表现为 0～20 cm 土层优于20～40 cm土层, 这与慕平等[30]的研究结果相似。可能是由于秸秆还田和施肥处理中养分的输入多集中在土壤表层, 容易导致其在土壤表层中的高度富集,从而造成0～20 cm土层中的增加效果相对更好[31]。

本研究中, NT处理对土壤肥力水平的影响不明显, 且在水稻季和油菜季之间表现出一定的差异。一方面可能是由于免耕处理改变了土壤物理性质,进而影响了其他的土壤性状。在本研究中, NT处理增加了油菜季的土壤容重(增加1.00%), 降低了土壤总孔隙度(降低 0.66%), 而水稻季的变化不显著, 这与薛斌等[32]的研究结果相似。研究表明, 土壤的物理性质是影响土壤结构、通气和保水保肥等性能的关键因素[33]。随着容重的增大, 土壤流失量会增多,从而造成部分养分的流失[34]。另一方面, 土壤酶对作物轮作以及不同耕作方式等的响应比较敏感[6],环境的影响可能会使土壤酶的活性表现出差异。这些都可能造成 NT处理对土壤肥力水平影响结果不一致。相比之下, NTS和NPKS对土壤肥力的提升效果相对较好, 可能是因为增施秸秆后, 有利于土壤动物和微生物的生长繁殖, 疏松土壤, 降低土壤容重[20]。同时秸秆对土温变化有一定的调节作用, 有利于土壤养分的转化[35]。因此, 农业生产中, 在免耕或施肥的基础上配合秸秆还田对于维持和提高土壤肥力具有积极作用。

4 结论

1)秸秆还田处理能降低土壤容重, 增加土壤总孔隙度, 对土壤物理性质有一定的改良作用。同时能一定程度上增加 0～20 cm 土层中土壤养分含量,其中速效钾的增加幅度相对最高。

2)NT处理对土壤物理性质的影响在稻-油轮作制度下表现出一定的差异, 且对土壤养分的影响不明显, 而 NTS处理对土壤养分含量则有较好的提高效果。

3)相对于对照处理, 秸秆还田处理能提高土壤综合肥力水平(0～20 cm 土层的肥力状况显著优于20～40 cm土层), 其中NTS和NPKS处理增加效果相对较好(7.56%～25.93%)。而NT处理对土壤肥力的提升效果不明显。

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Effect of conservation tillage on soil fertility under rice-rape rotation system*

YIN Zhiyao, HUANG Li**, XUE Bin, HUANG Yanan, LI Xiaokun, LU Jianwei
(Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtze River), Ministry of Agriculture, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

In this study, the long-term effects of straw returning and no-tillage on physical properties and nutrient content of soils were assessed by continuous monitoring of soil bulk density, porosity, pH, organic matter, total nitrogen, total potassium,available nitrogen, available phosphorus and available potassium.The study considered different soil layers (0-20 cm and 20-40 cm) under rice-rape rotation system in Wuxue, Jingzhou and Wuhan Cities in Hubei Province for various farming years(9, 5 and 3 years) and cultivation systems.Also the Nemoro index method was used to evaluate soil fertility in different soil layers.The aim of the study was to provide the scientific basis for application of conservation tillage measures and optimization of field management.Results showed that: 1) straw returning reduced soil bulk density by 2.00%-16.54% and increasedtotal porosity by 1.00%-15.07% in rice and rape seasons.The changes in rape season were reversed under no-tillage treatment,while no significant changes were noted in the rice season.2) Straw returning treatment increased the contents of organic matter (4.76%-35.07%), total nitrogen (1.80%-32.03%), available phosphorus (20.95%-65.82%), available nitrogen(5.97%-37.00%) and available potassium (8.71%-133.04%) in the 0-20 cm soil layer across the three sites.Compared with other nutrients, the greatest increase was recorded in available potassium.No significant differences were observed in no-tillage, although it had the best effect in terms of increase in soil nutrients compared with the other treatments after straw returning.The effect of each treatment on the 20-40 cm soil layer was similar to that on the 0-20 cm soil layer, but the total effect in terms of increase in the investigated parameters was not significant.3) The no-tillage + straw returning and the nitrogen, phosphorus, potassium fertilizers application + straw returning treatments led to more increase in soil fertility with higher increase in integrated fertility index (7.56%-25.93%), they were good choice for improvement of soil fertility in the study sites.

May 10, 2017; accepted Jun.15, 2017

Rice-rape rotation system; Conversation tillage; Straw returning; No-tillage; Soil nutrient; Integrated fertility index

S158

A

1671-3990(2017)11-1604-11

10.13930/j.cnki.cjea.170433

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* 公益性行业专项基金(201503123)和国家自然科学基金(41271252)资助

** 通讯作者: 黄丽, 主要从事土壤化学和肥力方面的研究。E-mail: daisyh@mail.hzau.edu.cn殷志遥, 主要从事土壤化学方面的研究。E-mail: 18271390486@163.com

2017-05-10 接受日期: 2017-06-15

* This study was supported by the Public Welfare Industry Special Fund of China (201503123) and the National Natural Science Foundation of China (41271252).

**Corresponding author, E-mail: daisyh@mail.hzau.edu.cn